清华校园建筑震害预测程序及在土木工程教学中的应用

 

曾翔,杨哲飚 ,许镇,陆新征

(清华大学土木工程系,北京市  100084

第23届全国结构工程学术会议论文集. 甘肃兰州, 2014, 10.10~12, Vol. III: 5-10.

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  要:“清华校园建筑震害预测程序”提供学生所熟悉的校园建筑作为研究对象,具有结构地震弹塑性时程分析和破坏情况可视化展示功能。将其用于结构抗震工程、防震减灾等土木工程专业课程教学过程中,可以使学生直观地理解、巩固并综合运用所学知识,激发学习和探索热情。

关键词:建筑震害分析;土木工程教学;结构抗震;地震工程;防震减灾;校园实验室

 

EARTHQUAKE DISASTER PREDICTING PROGRAM FOR CAMPUS BUILDINGS IN TSINGHUA UNIVERSITY AND ITS APPLICATION IN TEACHING OF CIVIL ENGINEERING

 

ZENG Xiang, YANG Zhebiao, XU Zhen, LU Xinzheng

(Department of Civil Engineering, Tsinghua University, Beijing 10084, China)

Proc. 23th National Conference on Structural Engineering, Gansu Lanzhou, 2014, 10.10~12, Vol. III: 5-10.

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Abstract:  Earthquake disaster predicting program for campus buildings in Tsinghua University” provides campus buildings to students as researching objects, which are familiar to them. The program can implement elasto-plastic time-history analyses as well as earthquake disaster visualization. When applied to the teaching of civil engineering, the program can help students easily understand knowledge and use it, moreover, inspiring their enthusiasm in study and exploration.

Key words:  earthquake disaster analysis; teaching in civil engineering; structural seismic resistance; earthquake engineering; seismic prevention and disaster mitigation; campus as laboratory

 

1         引言

建筑结构抗震分析是土木工程专业教学的重点和难点。一方面,它涵盖地震工程、抗震工程、结构动力学等多种专业知识,内容丰富,综合性强;另一方面,实际教学过程中,这些知识通常是在几门独立的专业课程中分教授的,学生不易整体把握所学知识。在这种传统的教学方法下,学生能较好地掌握各门课程的基础知识和理论方法,但缺乏一个综合平台帮助学生融会理解、实际运用这些分散的知识。

其实,大学校园本身便是一个合适的综合平台,可以提供开展科学探究所需的各种基本教学资源,从这个角度来说,校园是一个鲜活的实验室。“校园实验室”(Campus As Laboratory, CAL)这个概念,最初由普林斯顿大学于2011年提出[1]。具体到建筑结构抗震分析,特别是区域建筑抗震分析来说,大学校园建筑不仅结构类型多样、跨越年代广泛,提供了丰富全面的研究对象,而且数据资料容易获取,甚至还能获得部分建筑的设计详图,有利于建立结构分析模型。

“清华校园建筑震害预测程序”就是清华大学“校园实验室”项目的成果之一。该程序以清华大学校园建筑为研究对象,以身边的科学问题为切入点,较之相对枯燥的书本知识,贴近生活的案例更易激发学生的探索热情。同时,学生可利用该程序直观地理解、巩固并综合运用所学知识,提高实践和创新能力,甚至以此为平台进行更深入的研究探索。此程序可以用于《土木工程概论》、《结构动力学》、《抗震工程概论》、《防灾减灾工程学》等课程的辅助教学。

2         清华校园建筑震害预测程序

“清华校园建筑震害预测程序”(以下简称“震害预测程序”),由清华大学土木工程系开发完成。通过网络搜索以及实地调研等方法,收集了清华大学绝大部分校园建筑的坐标、层数、层高、建造及加固年代、结构类型等基本宏观信息。利用这些信息,为各个建筑生成相应的剪切层模型,在用户选定的地震动下,对这些校园建筑进行弹塑性时程分析,并直观地展示整个清华校园建筑在地震作用下的响应和破坏状况。程序主界面如图1所示。

图 1 “清华校园建筑震害预测程序”主界面

图 1                “清华校园建筑震害预测程序”主界面

该程序的震害分析原理如图2所示。依据输入文件中提供的结构层数等宏观信息,基于美国Hazus软件的调查统计和该程序开发者的研究工作[2],计算得到结构的各阶周期、各层层间骨架线和滞回参数以及各个破坏状态对应的层间位移角限值等,建立剪切层模型,从而在指定的地震动作用下,进行弹塑性时程分析,得到结构的时程响应。

 2 “清华校园建筑震害预测程序”的震害分析原理图

图 2                “清华校园建筑震害预测程序”的震害分析原理图

 

该程序包含以下功能模块:建筑结构信息的读取与编辑、地震波的可视化选择与反应谱的生成、清华校园建筑在地震作用下的响应分析计算、以及结构的响应时程和破坏情况的直观展示等。由于各个模块都具有丰富的表格、曲线甚至是动画功能,能直观、生动地呈现从模型建立到结果显示等整个震害分析过程,加之所选择的分析对象是学生所熟悉的校园建筑,因此该程序可为结构动力学、地震工程等多个土木工程专业学科的教学提供帮助:不仅能使相关专业知识更形象、易于学生接受和理解,同时还能为感兴趣的学生进行诸如地震损失评估等更深入的研究提供一个基础平台。

3         清华校园建筑震害预测程序在土木工程专业学科教学中的应用

3.1  结构抗震工程

“震害预测程序”的建筑结构信息读取与编辑模块,包含剪切层模型、结构层间滞回关系、结构破坏状态及对应的层间位移角限值等结构抗震工程专业知识,可用于辅助其教学工作。如图3所示,输入或修改结构的层数、结构类型、建设年代等信息,该程序会自动计算层间滞回参数等的取值[3]。其中,对于钢筋混凝土框架结构,采用修正的Clough层间滞回模型[4]进行模拟;对于钢结构,采用理想弹塑性模型模拟;而其它以剪切变形为主的结构,则使用捏拢模型作为滞回规则。同时,也可以手动修改这些取值,程序会实时更新对应的滞回曲线的形状。

查看并编辑各个建筑的基本信息和结构破坏层间位移角限值

(a)    查看并编辑各个建筑的基本信息和结构破坏层间位移角限值

查看并编辑结构各个楼层的层间骨架线和滞回参数,并实时显示滞回曲线

(b)    查看并编辑结构各个楼层的层间骨架线和滞回参数,并实时显示滞回曲线

图 3                “清华校园建筑震害预测程序”的建筑结构信息读取与编辑模块

以上功能有助于学生理解层间滞回参数的概念和意义,探讨不同结构类型的层间滞回特点。结合“震害预测程序”的分析计算和结构破坏状态展示,可以进一步探究不同结构类型、滞回性能等因素对结构抗震性能的影响。

3.2  结构动力学

“震害预测程序”提供对剪切层模型的周期和振型计算功能。例如,图4所示的是一个四层结构的频率和一阶振型。调整阻尼比等参数,并重新计算,可以分析各个参数对结构频率和振型的影响,加深认识多自由度体系的自振规律;选择不同的校园建筑,可以对比不同类型建筑的结构动力学性质差异。学生还可利用程序所提供的结果与自己手算的结果进行对比,进一步巩固课程中所学的知识。

计算并显示各个校园建筑的频率和振型

图 4                计算并显示各个校园建筑的频率和振型

3.3  地震工程概论

地震动的主要特性可由反应谱和加速度时程曲线等加以刻画。一般的教学通常侧重于讲解反应谱的概念、利用加速度时程计算反应谱的原理、以及根据规范反应谱进行结构抗震设计的方法步骤等。学生可以根据相关公式和中国《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)的规定掌握简单的结构地震作用的计算,但不易直观地认识普通反应谱与规范给出的设计反映谱的区别、基本烈度与超越概率对规范反应谱形状的影响等。

5所示的是“震害预测程序”中地震波可视化选择与反应谱生成模块所提供的功能。将其用于地震工程概论的课程教学,可以清晰地展现几个著名地震波(如El-Centro波、汶川波等)的时程曲线,并方便地生成指定峰值加速度(PGA)下这些加速度时程曲线对应的反应谱(阻尼比设为0.05)。将反应谱与规范反应谱绘制在同一区域,可以对比二者的区别与联系,体现规范反应谱的特点:它是为方便工程计算而进行的简化处理方法。此外,如图5所示,8度罕遇地震对应的规范反应谱与PGA0.4g的加速度时程对应的反应谱相比,其最大反应比较接近,这类对比有利于帮助学生理解抗震设防烈度和设计基本地震加速度的对应关系。

“清华校园建筑震害预测程序”的地震波可视化选择与反应谱生成功能

图 5                “清华校园建筑震害预测程序”的地震波可视化选择与反应谱生成功能

3.4  防震减灾

在给定地震动和PGA的条件下,“震害预测程序”可进行弹塑性时程分析,并能在分析结束后,直观地呈现校园建筑的楼层位移响应时程、详细信息和最终破坏情况,如图6所示。

校园建筑位移云图时程

(a) 校园建筑位移云图时程

校园建筑的详细破坏信息

(b) 校园建筑的详细破坏信息

校园建筑震害分析结果的可视化显示

(c) 整个校园的破坏和倒塌情况

图 6                校园建筑震害分析结果的可视化显示

在防震减灾教学过程中,“震害预测程序”可以有以下应用:

(1)  比较分析不同结构在地震作用下的响应。

该程序中建立了清华大学校园中600多栋建筑的模型,不仅包含钢筋混凝土框架、钢框架、框架剪力墙、砌体结构等多种结构类型,而且包括不同年代、不同高度的结构。在给定地震动作用下,可以比较分析这些不同类型的结构在地震作用下的响应特点,使学生加深对地震作用的认识。例如,观察整个校园的破坏和倒塌情况可知,一般砌体结构和建筑年代较早的结构破坏较严重。

(2)  比较不同地震波对结构的作用。

一方面,学生可以选择并观察汶川波等几条典型地震波对结构的作用,激发学习兴趣;另一方面,还可以对比不同地震波对结构的作用,通过观察这些地震波对应的反应谱的特点,可以体会反应谱的物理意义。例如,反应谱峰值对应的周期较短的地震波,对低层结构等周期较短的结构破坏性更大;反应谱峰值对应的周期较长的地震波,则对中高层结构等周期较长的结构破坏性更大。

(3)  展开更深入的探索研究。

“震害预测程序”还为学生展开更深入的探索提供了平台。例如,可以通过收集校园建筑的财产、人员分布情况等信息,并添加到“震害预测程序”中,从而探索校园建筑地震损失评估方法;可以将校园道路抽象成无向图等适当拓扑结构,利用图论中的Dijkstra算法[5]考虑人群的疏散交通需求,综合“震害预测程序”计算得到的建筑破坏与倒塌情况,进行震后应急疏散[6]的研究等。学生可以充分利用熟悉的校园环境,采集所需数据,整合至“震害预测程序”中,进行各种有意义的学习探索,更好地掌握和运用防震减灾知识。

4         结论与展望

本文介绍了“清华校园震害预测程序”的主要功能,并结合现有土木工程教学中存在的难点及问题,分析了该程序在结构抗震工程、结构动力学、地震工程以及防震减灾等课程教学中的作用和价值。该程序结合校园实验室的概念,提供学生所熟悉的校园建筑作为研究对象,不仅能激发学习热情,加深对相关课程知识的理解,更能为学生的科研与创新提供一个很好的平台。可以用于《土木工程概论》、《结构动力学》、《抗震工程概论》、《防灾减灾工程学》等课程的辅助教学。

目前,“震害预测程序”暂时无法考虑不同位置的结构作用不同的地震动,也不包含建筑的财产、人员分布情况等信息,无法进行经济损失评估。因此,该程序的开发人员和感兴趣的学生可以在此基础上扩展其功能,使之能考虑多点地震动输入和地震经济损失评估等问题。

参考文献:

[1]  Campus as Lab[EB/OL]. [2013.09.07]. http://sustain.princeton.edu/lab.

[2]  Lu Xinzheng, Han Bo, Hori Muneo, et al. A Coarse-Grained Parallel Approach for Seismic Damage Simulations of Urban Areas Based On Refined Models and GPU/CPU Cooperative Computing[J]. Advances in Engineering Software, 2014, 70 (0): 90-103.

[3]  韩博, 熊琛, 许镇, 陆新征. 城市区域建筑物震害预测剪切层模型及其参数确定方法: 22届全国结构工程学术会议, 中国新疆乌鲁木齐, 2013[C].

[4]  Mahin Stephen A., Lin J. Construction of Inelastic Response Spectra for Single-Degree-Of-Freedom Systems, Computer Program and Applications, Report No. UCB/EERC-83/17[R]. Berkeley: University of California, Earthquake Engineering Research Center, 1984.

[5]  Dijkstra Edsger W. A Note On Two Problems in Connexion with Graphs[J]. Numerische Mathematik, 1959, 1 (1): 269-271.

[6]  李进, 张江华. 基于路径的网络流控制应急疏散模型与算法[J]. 自然灾害学报, 2012: 9-18.

 

 



基金项目:国家科技支撑计划课题(No. 2013BAJ08B02,北京市自然科学基金(No. 8142024)国家自然科学基金(No. 5117824951378299)

作者简介:曾  (1991),男,湖南人,博士,主要从事土木工程计算机仿真研究;

杨哲飚(1993),男,浙江人,本科生,主要从事土木工程计算机仿真研究;

  (1986),男,北京人,博士后,主要从事城市综合防灾、虚拟现实和高性能计算相关研究;

*陆新征(1978),男,安徽人,教授,博导,博士,主要从事结构非线性计算和仿真研究(E-mail: luxz@tsinghua.edu.cn)